吉 方 鄧貴德 梁海峰 段滋華

(1.太原理工大學(xué)；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

V形導(dǎo)流傘對(duì)大型球罐熱處理溫度場(chǎng)的影響研究*

吉 方*1鄧貴德2梁海峰1段滋華1

(1.太原理工大學(xué)；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

用內(nèi)燃法熱處理大型球罐時(shí)，為了減小球罐上下的溫差，在球罐內(nèi)部加入一個(gè)V形導(dǎo)流傘，改變球罐內(nèi)流場(chǎng)分布，使熱空氣對(duì)球罐加熱更均勻。采用數(shù)值模擬的方法，研究了V形導(dǎo)流傘夾角的角度和導(dǎo)流傘的位置對(duì)球罐內(nèi)部流場(chǎng)和壁面溫度的影響。結(jié)果表明，在距下人孔1/3球罐直徑處安裝夾角為120°的V形導(dǎo)流傘時(shí)，球罐壁面最大溫差最小，球罐壁面溫度最均勻。

球罐 熱處理 V形導(dǎo)流傘 Fluent 溫度場(chǎng)

目前國(guó)內(nèi)大型球罐廣泛采用內(nèi)部燃燒法來消除焊接殘余應(yīng)力，即在球罐下人孔處插入燃燒器，對(duì)球罐進(jìn)行加熱，使其達(dá)到熱處理工藝要求的溫度范圍[1]。在大型球罐內(nèi)燃法熱處理過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)球罐上部壁溫明顯高于下部壁溫的現(xiàn)象，導(dǎo)致球罐熱處理結(jié)果不滿足工藝要求。行業(yè)內(nèi)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用在球罐內(nèi)部安裝V形導(dǎo)流傘改變球壁內(nèi)部流場(chǎng)，達(dá)到減少球罐上下溫差的目的[2]。但實(shí)際操作中，V形導(dǎo)流傘的夾角大小以及熱處理時(shí)導(dǎo)流傘放置的位置各不相同，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究很少，筆者采用數(shù)值模擬方法[3]，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，研究了5種不同夾角導(dǎo)流傘和3種不同安裝位置對(duì)大型球罐內(nèi)燃熱處理內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。

1 數(shù)值分析

以直徑26.8m的10 000m3球罐為例，如圖1所示在球罐直徑上、下位置處分別設(shè)置直徑0.45m，伸出長(zhǎng)度0.5m的人孔，在距下人孔L處安裝直徑為4.46m，厚度為20mm的V形導(dǎo)流傘，在下人孔處，插入EK-9100燃燒器(燃料選用0號(hào)輕柴油)對(duì)球罐進(jìn)行加熱，最終達(dá)到對(duì)球罐熱處理的目的[2]。燃燒器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一個(gè)噴油嘴和一個(gè)空氣入口，如圖2所示。

圖1 10 000m3球罐熱處理工藝布置示意圖

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

選用ANSYS Fluent數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)球罐熱處理保溫階段進(jìn)行數(shù)值模擬。分析研究5種不同夾角(80、100、120、140、160°)的V 形導(dǎo)流傘和3種不同導(dǎo)流傘安裝位置(距下人孔1/3D、1/2D、2/3D)時(shí)，球罐內(nèi)部流場(chǎng)分布和壁面溫度場(chǎng)。

2 物理數(shù)學(xué)模型

大型球罐采用內(nèi)燃法熱處理時(shí)，其中涉及到的物理化學(xué)過程主要包括霧化柴油的燃燒，空氣的流動(dòng)以及空氣-球罐壁面的傳熱等，這些過程均滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、組分守恒和能量守恒方程。在Fluent軟件中選用合適的模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬[4～6]。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，燃料和空氣從不同進(jìn)口進(jìn)入球罐下人孔處，燃燒模型選用非預(yù)混燃燒模型，0號(hào)柴油的射入和霧化的過程選用離散相模型。

2.1 湍流模型

球罐熱處理時(shí)，被加熱的熱空氣在球罐內(nèi)部的流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[3～5，7～9]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率。k方程是一個(gè)精確方程，ε方程是一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。k-ε模型假定流場(chǎng)完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。湍流能量方程和能量耗散運(yùn)輸方程如下：

Gk-Yk+Sk

(1)

(2)

式中C1ε、C2ε、C3ε——常數(shù)，分別為1.45、1.92、1.3；

Gk——由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

Yk——由于在可壓縮湍流中過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；

Sk、Sε——廣義源項(xiàng)[4～6,10]；

σk、σε——k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)為0.9。

2.2 燃燒模型

柴油和空氣分別由兩個(gè)入口進(jìn)入，故采用非預(yù)混燃燒模型[8，9，11～14]。根據(jù)預(yù)測(cè)的混合分?jǐn)?shù)分布推導(dǎo)出每一個(gè)組分的濃度，對(duì)非預(yù)混模型做了一定簡(jiǎn)化假設(shè)。流體的瞬時(shí)熱化學(xué)狀態(tài)與一個(gè)守恒量，即混合分?jǐn)?shù)f相關(guān)，f可根據(jù)原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為：

(3)

其中，Zi表示元素i的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。下標(biāo)ox表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。如果所有組分的擴(kuò)散系數(shù)相等，式(3)對(duì)所有元素都是相同且混合分?jǐn)?shù)定義是唯一的。因此，f就是來源于燃料流的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在相同擴(kuò)散率的假設(shè)下，組分方程可被簡(jiǎn)化為一個(gè)單一的關(guān)于混合組分f的方程。由于刪去了組分方程中的反應(yīng)源項(xiàng)，因此f是一個(gè)守恒量。平均(時(shí)間平均)混合分?jǐn)?shù)方程為：

(4)

源項(xiàng)Sm僅指質(zhì)量由液體燃料滴或反應(yīng)顆粒傳入氣相中，Suser為任何用戶定義源項(xiàng)[4～6,10]。

2.3 離散相模型

燃燒器燃燒過程涉及柴油霧化以及霧滴和空氣之間的動(dòng)量、質(zhì)量、能量的傳遞。目前有兩種數(shù)值計(jì)算方法處理多相流：歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。筆者選用Fluent軟件中的歐拉-拉格朗日方法的離散相模型[10，13，14]。顆粒軌跡通過顆粒作用力平衡方程來求解：

(5)

式中dp——顆粒直徑；

FX——其他作用力[6,10]；

Re——相對(duì)雷諾數(shù)；

u——流體相速度；

up——顆粒速度；

μ——流體粘度；

ρ——流體密度；

ρp——顆粒密度。

3 計(jì)算方法

模型為軸對(duì)稱模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，建立1/2模型即可。采用四面體為主體的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)126 640個(gè)節(jié)點(diǎn)，126 315個(gè)網(wǎng)格單元。

球罐、人孔壁和噴嘴壁的材料為金屬材料，材料和介質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 材料和介質(zhì)參數(shù)

筆者針對(duì)球罐熱處理保溫階段進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。保溫階段可以近似看作穩(wěn)態(tài)過程，穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法基于壓力速度耦合求解器求解，選用SIMPLE算法，采用一階精度迎風(fēng)差分格式。先計(jì)算空氣單獨(dú)進(jìn)入球罐的流場(chǎng)分布，再創(chuàng)建輕柴油噴射源，模擬燃燒過程，計(jì)算球罐內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。

下人孔空氣入口邊界條件：速度邊界，空氣流速為12.6m/s，湍流強(qiáng)度為5%，湍流水力直徑為0.45m，空氣溫度為268.15K。

上人孔為出口邊界條件：載荷邊界，表壓為0MPa。

球罐壁面厚度為36mm，選用對(duì)流傳熱方式，外界環(huán)境溫度為268.15K，對(duì)流傳熱系數(shù)為0.05W/(m2K)。

噴油嘴為離散相入口，輕柴油蒸發(fā)溫度341K，耗油量設(shè)為42g/s，根據(jù)elco燃燒器工作手冊(cè)，工作壓力為3MPa。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 導(dǎo)流傘安裝位置的影響

分別對(duì)導(dǎo)流傘安裝在距下人孔1/3D、1/2D、2/3D處時(shí)的球罐熱處理保溫階段進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示。球罐內(nèi)部流場(chǎng)如圖4所示。球罐的最高壁溫、最低壁溫和最大溫差見表2。

圖3 球罐壁溫曲線

圖4 球罐內(nèi)部流場(chǎng)

表2 導(dǎo)流傘不同安裝位置壁溫 ℃

從圖3和表2可知，加入V形導(dǎo)流傘后，球罐壁面溫度最大溫差減??；導(dǎo)流傘安裝位置L=1/3D時(shí)，球罐壁面溫度最大溫差最小。由圖4可見，加入V形導(dǎo)流傘后，球罐內(nèi)部流場(chǎng)分布產(chǎn)生了變化，從一側(cè)一個(gè)漩渦變?yōu)閮蓚€(gè)，當(dāng)L=1/3D時(shí)，漩渦的分界線最接近赤道。結(jié)合圖3、4可以看出，球罐壁面溫度的最高點(diǎn)在漩渦分界線附近。

4.2 V形導(dǎo)流傘夾角角度的影響

分別對(duì)放置在距人孔1/3D處的5種不同夾角的導(dǎo)流傘進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖5所示。球罐的最高壁溫、最低壁溫和最大溫差見表3，球罐內(nèi)部流場(chǎng)如圖6所示。從圖5和表3可知，導(dǎo)流傘夾角α=120°時(shí)，球罐壁面溫度最大溫差最小。從圖6中可以看出，導(dǎo)流傘夾角α=120°時(shí)，漩渦的分界線最接近赤道。結(jié)合圖5、6可以看出，球罐壁面溫度的最高點(diǎn)在漩渦分界線附近。

圖5 球罐壁溫曲線

導(dǎo)流傘夾角無80°100°120°140°160°最高壁溫/°C623.7624.5625.2626.0626.8627.3最低壁溫/°C574.2588.1590.7591.9590.9590.4最大溫差/°C49.536.334.534.135.936.9

5 結(jié)論

5.1大型球罐內(nèi)燃法熱處理時(shí)，加入V形導(dǎo)流傘可以改變球罐內(nèi)部流場(chǎng)，減少球罐壁面溫度最大溫差。球罐壁溫的最高點(diǎn)在漩渦分界線附近，壁面溫度的最低點(diǎn)在球罐上下與人孔相接處。

5.2大型球罐內(nèi)燃法熱處理時(shí)，V形導(dǎo)流傘安裝的最佳位置是在距下人孔1/3球罐直徑處，V形導(dǎo)流傘的最佳夾角角度為120°。這時(shí)球罐壁面最大溫差最小，球罐溫度最均勻，與工程應(yīng)用的實(shí)際狀況基本相符。

圖6 球罐內(nèi)部流場(chǎng)

[1] 傅家仁.大型球罐整體熱處理方法[P].中國(guó)：1178249A，1998.

[2] 莫乾賜,鞠成偉,黃健,等.淺談球罐焊后整體熱處理[J].裝備制造技術(shù),2007，(7): 51～54.

[3] 魏強(qiáng),楊文通,劉志峰.基于CFX的燃油燃?xì)忮仩t爐膛內(nèi)燃燒傳熱的數(shù)值模擬[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2006,22(25): 232～234.

[4] 唐家鵬.Fluent14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出報(bào)社,2013.

[5] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)力與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004．

[6] 溫正,石良辰,任毅如.流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[7] 李華瑩,劉建敏,郭猛超.高原環(huán)境柴油機(jī)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)與缸內(nèi)溫度場(chǎng)的三維數(shù)值模擬[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012，(5): 56～60.

[8] 艾志久,蔣靜,吳昌,等.爐內(nèi)燃燒場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,33(3): 165～168.

[9] 郭得鋒.數(shù)值模擬在燃燒研究中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2006,8(4): 66～68.

[10] 潘國(guó)瑜.燃油燃?xì)馊紵魅紵c吹掃過程的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

[11] 賈玉蓮,王鳳英.油罐噴射火燃燒模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011, 37(2): 44～46.

[12] 張城偉,周長(zhǎng)茂,王海波,等.圓筒式加熱爐內(nèi)輻射室燃燒數(shù)值模擬與分析[J].石油化工設(shè)備,2010, 39(5): 37～40.

[13] 李海燕,黨建軍,許存娥.旋轉(zhuǎn)燃燒室霧化燃燒過程的數(shù)值模擬[J].火力與指揮控制,2008, 33(11): 155～161.

[14] 李海燕,馮瑞成,芮執(zhí)元,等.基于數(shù)值模擬的旋轉(zhuǎn)燃燒室的性能分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(5): 64～67.

EffectofV-typeDiversionUmbrellaonHeatTreatmentTemperatureFieldinLargeSphericalTank

JI Fang1, DENG Gui-de2, LIANG Hai-feng1, DUAN Zi-hua1

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ChinaSpecialEquipmentInspectionInstitute,Beijing100010,China)

In order to reduce the difference between high and low wall temperatures of the spherical tank when having the internal combustion heat treatment applied there, a V-type diversion umbrella was adopted in the spherical tank to change its internal flow field distribution so that spherical tank’s wall can be heated more evenly by hot air. Numerical simulation based on Fluent software was carried out to investigate the V-diversion umbrella’s effect on both internal flow field and wall temperatures of this spherical tank. The results show that installing V-type diversion umbrella at an included angle of 120°at the site 1/3 of the diameter to spherical tank’s bottom manhole can make tank wall’s temperature difference minimum and the wall temperature most uniform.

spherical tank, heat treatment, V-type diversion umbrella, Fluent, temperature field

TQ054

A

0254-6094(2016)01-0059-05

*國(guó)家公益性行業(yè)(質(zhì)檢)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201410028)。

**吉 方，男，1990年12月生，碩士研究生。山西省太原市，030024。

2015-03-12，

2015-04-13)